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7440-63-3 / 氙氣的多種應用

背景及概述[1]

氙氣的元素符號Xe,位于第五周期零族。其為稀有氣體、無色、無嗅、無味,能吸收X射線,在電場作用下能發(fā)出強烈的白光。用于制高壓長弧氙燈(俗稱人造小太陽),產(chǎn)生紫外線的高壓電弧燈、閃光燈、中子計數(shù)器,X射線計數(shù)器,還用作麻醉劑、原子反應堆中的中子吸收劑、充填閘流管和探測宇宙線用的電離室。1898年英國人拉姆塞和特拉威斯在分餾液態(tài)氪的混合物時,通過光譜分析發(fā)現(xiàn)了氙。在空氣中含有9×10-6%(體積)。工業(yè)上用分餾液體空氣提取。

應用[3-4]

氙能吸收X射線。因其有極高的發(fā)光強度,用于填充光電管和閃光燈,氙燈有“小太陽”之稱。氙能溶解于神經(jīng)細胞物質(zhì)之中,使其麻醉和膨脹,從而暫時停止神經(jīng)末梢的作用,故摻入20%的氧作為麻醉劑。氙高壓燈具有高的紫外光輻射,故可用于醫(yī)療。

1)氙氣在電光源上的重要應用

利用氙氣極高的發(fā)光強度,可充填光電管、閃光燈以及有霧航空導航燈,其放電強度甚至超過太陽光的放電強度;氙氣充填的長弧氙燈,俗稱“小太陽”,穿霧能力特強,可用于機場、車站、碼頭和廣場;氙燈還用于彩色電影的拍攝,具有良好效果。近年來,隨著科技的發(fā)展,氙氣在電子、激光行業(yè)得到了廣泛應用,如等離子電視、CT機等,每年這個行業(yè)消費氙氣約2000m3。

2)氙氣在焊接、醫(yī)療等方面的應用

用氙燈光線經(jīng)凹鏡聚光后,溫度可達到2500℃,不僅可容易地焊接鋼材,還可焊接鈦、鉬這類難熔金屬。據(jù)悉,還可用于單晶體生產(chǎn)方面。高壓氙燈具有高強度的紫外光輻射,可用于醫(yī)療殺菌、消毒。由于氙的分子量大,有很強的麻醉作用,氙是無副作用、理想的深度麻醉劑。利用氙氣具有不透過X射線的性質(zhì),可被用作X光攝影的造影劑,也被用于遮蔽X射線;氙的放射性同位素,可作為顯蹤劑來進行醫(yī)療診斷。醫(yī)療領域為氙氣應用提供了新的長期有潛力的增長。氙氣用于加強X-射線、CAT掃描、MRI的成像。

單靠一臺MRI設備不能檢查人體肺部的許多精細結(jié)構(gòu),然而,吸入氙/氧混合氣,MRI掃描就能檢測到必要的軟組織精細結(jié)構(gòu),以幫助醫(yī)生對許多肺部疾病做出更準確的診斷。英國倫敦皇家學院的科學家們發(fā)現(xiàn)氙氣可幫助保護受損的神經(jīng)細胞,為此他們與美國空氣制品公司一起建立了一家名叫Proexeon公司以開發(fā)其臨床應用。研究表明惰性氣體氙可用作神經(jīng)保護劑,防止受損神經(jīng)細胞死亡。可治療神經(jīng)受損病人如中風、麻痹、腦傷和脊髓受傷等。

3)氙氣在電子芯片制造業(yè)中的最新應用

氙氣的最新用途是用在電子芯片制造業(yè),也是目前氙需求增長及對氙投機買賣的最重要原因,幾家大型芯片制造商正使用氙氣等離子蝕刻,主要用于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的制造。MEMS設備可將微電子和微機械集成為一個整體,能在一塊芯片上制作更復雜及功效更強的電路。這種技術從根本上把電腦芯片(處理數(shù)據(jù))和傳感器(收集數(shù)據(jù))結(jié)合到一個元件上,可以批量生產(chǎn),這種芯片的潛在用途不可限量,

4)氙氣在空間/衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中的應用

用于衛(wèi)星發(fā)射的離子發(fā)動機和離子漿推進器使用燃料氙氣,由于氙氣重量和密度很重,重量約是空氣的4.5倍重,主要用作衛(wèi)星的軌道位置保持和機動控制。在離子發(fā)動機磁腔的尾部,有一對分別帶正電荷和負電荷的金屬網(wǎng),正電荷和氙離子產(chǎn)生的強大電磁推力把氙離子高速(約100000km/h)噴射出去,并因此產(chǎn)生反沖力推動飛行器向前運動。它的推力比化學燃料發(fā)動機要小得多,全速運行時,離子發(fā)動機每消耗2500W電能只能產(chǎn)生1/110kgf(注:1kgf=9.81N)的推力,但是它可以長時間運轉(zhuǎn)幾個月甚至幾年,結(jié)果,飛行器最終獲得的速度可達化學燃料發(fā)動機所能達到的10倍。氙氣的非冷凝性質(zhì),使離子火箭發(fā)動機幾乎可以立即起動或關機,簡化配電系統(tǒng)和絕緣器設計。氙作為推進劑有以下優(yōu)點:無污染,不與航天器表面材料產(chǎn)生化學反應。無毒,不會污染空間環(huán)境和地球生物圈。確保地面試驗人員的健康和實驗室內(nèi)外環(huán)境的凈化。

制備[2]

氪氣、氙氣提取工藝復雜,技術難度大,生產(chǎn)操作程序要求極為嚴格。要經(jīng)受高壓、低溫考驗,并要使用特殊設備與材料,而且安全、防爆和防漏也至關重要。氪氣、氙氣制備一般分為兩個階段:第一階段俗稱粗制系統(tǒng),大型、特大型空分設備低溫精餾提取貧氪—氙混合物,在空分設備冷箱內(nèi)完成,大氣要經(jīng)過壓縮、冷卻、吸附、膨脹制冷、精餾、凈化和換熱等多道工序;第二階段俗稱精制系統(tǒng),將貧氪—氙混合物精制到高純產(chǎn)品,要經(jīng)過加壓、催化、吸附、換熱、精餾和凈化等多道工序。武鋼氧氣公司2005年投產(chǎn)的60000m3/h空分設備是稀有氣體全提取空分設備,由德國林德公司引進,其氪氣、氙氣制備工藝流程具有一定代表性,如圖所示。

氙氣的多種應用

主要參考資料

[1] 中學教師實用化學辭典

[2] 氪氣和氙氣的制備與應用

[3] 實用精細化工辭典

[4] 氪氣、氙氣和氖氣市場

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